Quantum phase and inelastic neutron scattering

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K03727
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 伊藤 晋一 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (00221771)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ベリー位相 / スピンカイラリティー / スピンダイナミクス / 磁気励起 / 中性子非弾性散乱

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、バンド交差により発生するベリー曲率が物性に及ぼす系の中性子非弾性散乱実験を試みるものである。
スピンカイラリティーが予想される金属反強磁性体FeMnでは、γ相（FCC）であるFe0.5Mn0.5（磁気相転移温度TN=465.5K、磁気モーメントμ=1.2μB）とFe0.7Mn0.3（TN=412K、μ=2μB）について、これまで、TNより低温で中性子非弾性散乱実験を広いエネルギー範囲で実施し、動的構造因子が磁気モーメントや交換相互作用でスケールできることを明らかにしたことを報告したが、さらに、新たに整備したクライオファーネスを用いてTNより高温での実験を実施したところ、低エネルギー励起は消失し、高エネルギー励起は存続することを見出した。
Ce系ファンデルワールス化合物CeTe3及びCeTe2Seは、ベリー曲率の起源となる反対称性スピン軌道相互作用が発生していて、両系は異なる磁気異方性を示す。結晶場励起を中性子非弾性散乱実験で測定し、磁気異方性と反対称性スピン軌道相互作用との関係を議論して論文発表を行った。
強磁性体SrRuO3及びNd2Mo2O7でベリー曲率を中性子非弾性散乱で検出できることを示してきたが、次に、反強磁性体についても同様の研究を試みるために、ベリー曲率により異常ホール効果が発現する反強磁性体Mn3Snの多結晶試料を合成し、中性子非弾性散乱実験を行い、さらに、単結晶試料の合成を試みている。
これらの研究の中心的実験技術はJ-PARC MLFに設置された高分解能チョッパー分光器HRCを用いて行う中性子非弾性散乱であり、HRCの高性能化に向けた基礎研究をすすめ、国際会議で発表した。また、HRCにクライオファーネスを整備し、4-700Kの広い温度領域での中性子非弾性散乱実験を可能にし、その性能を国際会議で発表した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

金属強磁性体Nd2Mo2O7の中性子非弾性散乱実験を行い、強磁性転移温度以下の温度範囲でスピン波分散関係の温度変化を測定した。異常ホール効果及び磁化の温度変化の基礎物性の測定も合わせて行った。中性子非弾性散乱実験も基礎物性測定も解析中である。
金属反強磁性体FeMnでは、γ相（FCC構造）の組成の試料で、単結晶試料を用いた中性子非弾性散乱実験を励起エネルギーが10meVから300meVの広い範囲で実施した。動的構造因子をTNより十分低温及びTN以上で測定し、低エネルギー領域と高エネルギー領域では異なる温度変化を示すことを明らかにした。
反対称性スピン軌道相互作用を持つCe化合物の結晶場準位を中性子非弾性散乱実験で測定し、物性と反対称性スピン軌道相互作用との関係を議論して論文発表を行った。
反強磁性体Mn3Snの多結晶試料を合成し、中性子非弾性散乱実験を行った。単結晶試料の合成も試みている。
これらの研究の中心的実験技術はJ-PARC MLFに設置された高分解能チョッパー分光器HRCを用いて行う中性子非弾性散乱であり、HRCの性能評価及び装置整備をすすめた。

Strategy for Future Research Activity

強磁性体Nd2Mo2O7のスピン波と基礎物性の解析をすすめ、中性子非弾性散乱実験で得られた結果が、Nd2Mo2O7のスピンカイラリティーによるベリー曲率に起因するものであることを示すための検討を行う。
反強磁性体FeMnの磁気励起は、広いエネルギー領域かつ磁気相転移温度の上下で、包括的なデータを得たので、解析をすすめて論文発表を行う。
反強磁性体Mn3Snの多結晶試料の磁気励起の温度変化の測定を行ったので、次に単結晶試料の合成をすすめ、実験をすすめる。

Causes of Carryover

補助事業の目的をより精緻に達成するため、追加実験の実施や学会参加、論文投稿を行う。

Research Products

• [Journal Article] Crystal electric field level scheme leading to giant magnetocaloric effect for hydrogen liquefaction (2023)
  • Author(s): Noriki Terada, Hiroaki Mamiya, Hiraku Saito, Taro Nakajima, Takafumi D. Yamamoto, Kensei Terashima, Hiroyuki Takeya, Osamu Sakai, Shinichi Itoh, Yoshihiko Takano, Masashi Hase, and Hideaki Kitazawa
  • Journal Title: Communications Materials Volume: 4 Pages: 13(1)-(9)
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00340-z
  • Open Access
• [Journal Article] Spin excitation in coupled honeycomb lattice Ni2InSbO6 (2023)
  • Author(s): Zheyuan Liu, Yusuke Araki, Taka-hisa Arima, Shinichi Itoh, Shinichiro Asai, and Takatsugu Masuda
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 107 Pages: 064428(1)-(8)
  • DOI: 10.1103/PhysRevB. 107.064428
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Damped Dirac magnon in a metallic kagome; antiferromagnet FeSn (2022)
  • Author(s): Seung-Hwan Do, Matthew B. Stone, Koji Kaneko, Ryoichi Kajimoto, Kazuya Kamazawa, Shinichi Itoh, Takatsugu Masuda, German D. Samolyuk, William R. Meier, Brian C. Sales, Hu Miao, and Andrew D. Christianson
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 105 Pages: L180403(1)-(6)
  • DOI: 10.1103/ PhysRevB.105.L180403
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anomalous magnetic moment direction under magnetic anisotropy originated from crystalline electric field in van der Waals compounds CeTe3 and CeTe2Se (2022)
  • Author(s): Daichi Ueta, Riki Kobayashi, Hiroki Sawada, Yuki Iwata, Shin-ichiro Yano, Shingo Kuniyoshi, Yuita Fujisawa, Takatsugu Masuda, Yoshinori Okada, and Shinichi Itoh
  • Journal Title: J. Phys. Soc. Jpn. Volume: 91 Pages: 094706(1)-(6)
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.094706
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 励起子絶縁体候補物質Pr0.5Ca0.5CoO3の中性子非弾性散乱研究 (2023)
  • Author(s): 三宅岳志、浅井晋一郎、伊藤晋一、益田隆嗣
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Neutron flux and energy resolution of the HRC spectrometer at J-PARC (2022)
  • Author(s): Daichi Ueta, Shinichi Itoh, Tetsuya Yokoo, Takatsugu Masuda, Taro Nakajima, Shinichiro Asai, Hiraku Saito, Daichi Kawana, Ryosuke Sugiura, Toshio Asami, Yoshiaki Ihata, Hiroaki Tanino
  • Organizer: The 15th Edition of the QENS series and the 10th of the WINS workshops
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron scattering study on van der Waals ferromagnet Fe5-xGeTe2 (2022)
  • Author(s): Shinichiro Asai, Miyuki Fujiwara, Kohei Yamagami, Kenta Kuroda, Takeshi Kondo, Yoshinori Okada, Shinichi Itoh, Matthias Frontzek, Takatsugu Masuda
  • Organizer: International Conference on Neutron Scattering (ICNS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inelastic neutron scattering study in Kagome-Triangular lattice CsCrF4 (2022)
  • Author(s): Hodaka Kikuchi, Shinichiro Asai, Hirotaka Manaka, Masato Hagihala, Shinichi Itoh, Takatsugu Masuda
  • Organizer: International Conference on Neutron Scattering (ICNS2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sample environment of the HRC spectrometer at J-PARC (2022)
  • Author(s): D. Ueta, S. Itoh, T. Yokoo, T. Masuda, T. Nakajima, S. Asai, H. Saito, D. Kawana, R. Sugiura, T. Asami, Y. Ihata, H. Tanino, S. Yamauchi
  • Organizer: 11th International Workshop on Sample Environment at Scattering Facilities (ISSE workshop 2022)
• [Presentation] スピンダイマー形成化合物Ce5Si3の中性子実験による磁気励起の研究 (2022)
  • Author(s): 植田大地、岩田由規、小林理気、桑原慶太郎、益田隆嗣、伊藤晋一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Spin fluctuations in a spin-hedgehog-anti-hedgehog lattice state in Mn(Si,Ge) under zero magnetic field (2022)
  • Author(s): S. Aji, T. Oda, Y. Fujishiro, N. Kanazawa, H. Saito, H. Endo, M. Hino, S. Itoh, T. Arima, Y. Tokura, T. Nakajima
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 中性子散乱及び一軸応力下のバルク測定による金属反強磁性体CeRh2Si2のsingle-q/multi-q磁気相転移の研究 (2022)
  • Author(s): 齋藤開、今布咲子、日髙宏之、網塚浩、伊藤晋一、中島多朗
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 三角格子反強磁性体RbFeCl3のマグノン崩壊とその回避 (2022)
  • Author(s): 益田隆嗣、長谷川舜介、浅井晋一郎、Barry Winn、伊藤晋一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Magnetism of pseudospin-1/2 pyrochlore antiferromagnet Na3Co(CO3)2Cl (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Nawa, Ryo Murasaki, Clarina Dera Cluz, Shinichi Itoh, Hiraku Saito, Hiroyuki Nojiri, Daisuke Okuyama, Masahiro Yoshida, Daichi Ueta, Hideki Yoshizawa, and Taku J. Sato
  • Organizer: Neutron scattering on continuous sources - future developments, US-Japan workshop
• [Presentation] 高分解能チョッパー分光器による物質のダイナミクスの研究 (2022)
  • Author(s): 伊藤晋一、益田隆嗣、横尾哲也、中島多朗、植田大地、浅井晋一郎、齋藤開、川名大地、杉浦良介、浅見俊夫、井畑良明、谷野弘明
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会
• [Presentation] 中性子非弾性散乱実験による異常な磁気応答を示すCeTe2Seの結晶場準位の研究 (2022)
  • Author(s): 植田大地、小林理気、澤田拓希、岩田由規、矢野真一郎、國吉真伍、藤沢唯太、益田隆嗣、岡田佳憲、伊藤晋一
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会
• [Presentation] 中性子散乱及び一軸応力下のバルク測定による金属反強磁性体CeRh2Si2のsingle-q/multi-q磁気相転移の研究 (2022)
  • Author(s): 齋藤開、今布咲子、日髙宏之、網塚浩、伊藤晋一、中島多朗
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会
• [Presentation] Spin fluctuations in spin-hedgehog-anti-hedgehog lattice states in Mn(Si,Ge) in zero magnetic field (2022)
  • Author(s): S. Aji, T. Oda, Y. Fujishiro, N. Kanazawa, H. Saito, H. Endo, M. Hino, S. Itoh, T. Arima, Y. Tokura, T. Nakajima
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会
• [Presentation] Inelastic Neutron Scattering Study on a Helimagnet Ni2InSbO6 (2022)
  • Author(s): 劉哲源、荒木勇介、有馬孝尚、伊藤晋一、益田隆嗣
  • Organizer: 日本中性子科学会第22回年会